Der zweite Gencode – Lamarcks Rehabilitierung?
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André Gensch Hausarbeit Biologie: Evolution (Prof. Nick) Der zweite Gencode – Lamarcks Rehabilitierung? Epigenetik und ihre Bedeutung für die Evolution 1 29. 03.09 André Gensch Hausarbeit Biologie: Evolution (Prof. Nick) 29. 03.09 1. Einführung in die Epigenetik .................................................................. 3 2. Genetisch identisch und doch einzigartig ............................................ 5 3. Vererbung erworbener Eigenschaften .................................................. 6 3.1 Wie Nahrung unser Erbgut beeinflusst ........................................................ 7 3.2 Gefahren und Chancen im Alltag ................................................................... 8 4. Hatte Lamarck doch Recht? ..$$$...................................................... 9 Quellenangaben ..........................................................................................11 2 André Gensch Hausarbeit Biologie: Evolution (Prof. Nick) 29. 03.09 1. Einführung in die Epigenetik Mehr als 50 Jahre ist es nun her, dass die dreidimensionale Struktur der DNADoppelhelix von Watson und Crick veröffentlicht wurde. Weitere 100 Jahre zurück liegt der Anfang der Darwinschen Evolutionstheorie. Im Mittelpunkt der Vererbungslehre und als Basis des Lebens postuliert: die Gene. Das allgemein akzeptierte Konzept besagt, dass phänotypische Merkmale von Genen, funktionelle Abschnitte der DNA, bestimmt und an Nachfahren vererbt werden. Aus Vielfalt, Variation und Selektion setzt sich anschließen die Evolution zusammen. Doch den Wissenschaftlern wird immer bewusster, dass die gen-zentrierte Evolutionstheorie ihre Grenzen hat. Die DNA bleibt ohne Leben, solange Zellen und Epigenotypen diesem kein Ausdruck verleihen. Die Wissenschaft ist momentan dabei, das „Betriebsprogramm“ des Lebens zu enthüllen. Die Epigenetik untersucht die Funktionsweise und die Auswirkungen der Mechanismen, die auf die Genomfunktion Einfluss nehmen und so Art und Weise wie Gene verarbeitet werden bestimmen. 1 Eine genaue und einheitliche Definition des Begriffs Epigenetik existiert noch nicht. Zu den Hauptkomponenten der Epigenetik gehören sowohl räumliche Gefüge, wie das Chromatin, als auch biochemische Markierungen, die Meythylierungen (Abb. 1). Bei allen möglichen Erscheinungen, die mit der Aktivierung und Inaktivierung der Gene zu tun haben, spielt die DNA - Methylierung eine große Rolle. Ein Prozess, der zuvor Rätsel aufwarf und epigenetischen Faktoren unterliegt, ist der Vorgang der Zelldifferenzierung. Für eine bestimmte Entwicklung einer Zelle werden Gene einund ausgeschaltet. Chromatin, die „Verpackungsform“ der DNA, bestehend aus einem DNA – Abschnitt von circa 150 Basenpaare und einem Histonoctamer, stellt so ein epigenetisches Schaltsystem dar. Die DNA ist dabei um das Histonoctamer gewickelt. Dieses Gerüst legt nun fest welche Gene abgelesen werden oder nicht, indem es entweder stark kondensiert vorliegt und somit ein Ablesen der Gene verhindert, das sogenannte Heterochromatin, oder unverpackt vorliegt und zugänglich für DNA-Trankskriptasen ist, das sogenannte Euchromatin. Die Kondensation wird dabei durch die Methylierung des Histonocatmers geregelt. Vor allem bedeutet das für die Genetik: nicht nur die DNA kodiert Erbinformationen, sondern auch ein nachgeordneter Code. Vielleicht erklärt das auch, warum wir uns 3 André Gensch Hausarbeit Biologie: Evolution (Prof. Nick) 29. 03.09 deutlich vom Schimpansen unterscheiden, obwohl unser Genom mit dem unserer Verwandten zu 99% übereinstimmt. 2 Epigenetische Faktoren bestimmen somit die Auslegung des Genoms innerhalb einer Zelle. Neueste Forschungen zeigen uns ein Bild auf, welches die Entwicklungs- und Evolutionsbiologie revolutionieren könnte. Nicht nur die Gene bestimmen den Phänotypen, sondern auch die Umwelt, die einen enormen Einfluss auf epigenetische Komponenten ausübt (Abb. 2). 1 Abbildung 1 Verweis auf Quelle 4 André Gensch Hausarbeit Biologie: Evolution (Prof. Nick) 29. 03.09 Abbildung 2 Verweis auf Quelle 2. Genetisch Identisch und doch einzigartig Zwillinge, die genetisch gesehen identisch sind, eignen sich besonders gut für Untersuchungen epigenetischer Faktoren, die anscheinend von der Umwelt beeinflusst werden. So wurde ein Zwillingspaar untersucht, die gemeinsam aufgewachsen, später aber ihre eigenen Wege gegangen sind. Die eine junge Frau lebt in England und ernährt sich überwiegend von Fleisch und Pasta, während ihre Zwillingsschwester in Mexiko lebt und sehr auf eine ausgewogene Ernährung achtet. Nicht nur ihre Körper haben sich verändert, auch ihre Gesundheit. Als Wissenschafter dem auf die Spur gegangen sind stellten sie fest, dass die DNA der beiden unterschiedliche Methylierungsmuster aufwiesen. Je nach Lebensstil findet man demnach Unterschiede in der DNA - Methylierung. Die durch die Nahrung aufgenommenen Bausteine wirken auf die Methylierung ein und verändern so die 5 André Gensch Hausarbeit Biologie: Evolution (Prof. Nick) 29. 03.09 transkriptionelle Aktivität der Gene. Je nachdem welche Gene aktviert oder inaktiviert werden hat das eine positive oder gar negative Erscheinung. Und nicht nur die Nahrung spielt eine Rolle, sondern auch ob wir Rauchen oder unter Stress stehen. 3 Ein schönes Beispiel liefert das japanische Paradox. Trotz dem hektischen Lebensstil in diesem hochindustrialisierten Land ist eine geringere Krebserkrankungsrate zu verzeichnen als in vergleichbaren Ländern. Wie man bald rausgefunden hat, spielt grüner Tee dabei eine wichtige Rolle. Die pflanzlichen Stoffe in dem Tee lösen die hemmenden Methylierungen an einem Gen, das mit dem Alter oft inaktiviert wird und nachweislich Krebs bekämpft. 4 3. Vererbung erworbener Eigenschaften Epigenetische Vererbung führt uns zu einer These zurück, die schon lange als unhaltbar deklariert wurde: Die Vererbung erworbener Eigenschaften. In einem am Münchner Max-Planck-Institut durchgeführten Versuch mit Laborratten sind Forscher dabei das Gegenteil zu beweisen. Gerade geborene Rattenbabys, die von der Mutter gesäugt werden und deshalb eine starke Bindung zu ihr aufbauen, wurden mehrmals für eine bestimmte Zeit von der Mutter getrennt. Bei einer Kontrollgruppe wurde dies nicht gemacht. Bei dem nun ausschlaggebenden Versuch wurden die nun erwachsenen Ratten in ein Gangsystem gesetzt, das zu einem Teil seitlich von Wänden umgeben war, andere Teile jedoch offen und hell waren. Die Tiere aus der Kontrollgruppe bewegten sich frei im gesamten Gangsystem. Die Tiere der Versuchsgruppe zeigten aber ein ganz anderes Verhalten auf. Sie hielten sich vor allem in den sicheren, dunkleren Gängen mit den Seitenwänden auf und mieden den offenen Weg. Dies ist ein Zeichen für Angst, die die Ratten anscheinend im Übermaß empfanden. Die Wissenschaftler untersuchten anschließend die DNA der Ratten und stellten fest, dass die Ratten der Versuchsgruppe eine andere Genaktivität aufwiesen wie die der Kontrollgruppe. 5 6 André Gensch Hausarbeit Biologie: Evolution (Prof. Nick) 29. 03.09 3.1 Wie Nahrung unser Erbgut beeinflusst 1998 unternahmen Craig Cooney und sein Team einen Versuch, bei dem sie trächtigen Mäusen methylierende Moleküle wie Folsäure und Zink verabreichten. Je nach Verabreichungsmenge unterschiedliche Färbung wiesen des die Fells neugeborenen auf sowie Babymäuse einen eine veränderten Gesundheitszustand. Das dafür verantwortliche Gen heißt Agouti-Gen, das Art und Menge der Pigmentmoleküle im Fell beeinflusst. Weist das Gen wenig Methylierungen auf, so ist es in allen Zellen aktiv und färbt das Fell gelblich. Das Gen wirkt pleiotropisch und beeinflusst des Weiteren den Gesundheitszustand der Mäuse. Fettleibigkeit, Diabetes und eine erhöhte Krebserkrankungsrate sind die Folgen. Ist das Gen stark methyliert ist es transkriptionell inaktiv. Eine rußbraune Farbe des Fells und ein verbesserter Gesundheitszustand sind das Ergebnis (Abb.3). 2006 wurde der Versuch von Jennifer Cropley et al ausgeweitet. Sie zeigte, dass die unterschiedliche Ernährungsweise trächtiger Mäuse nicht nur ein Einfluss auf den Nachwuchs hat, sondern auch auf die nächste Generation. Üblicherweise wurde immer davon ausgegangen, dass die Methylierung in der Keimbahn aufgehoben wird und jedes Mal ein Neustart geschaffen wird, doch das oben aufgeführte Experiment scheint eine andere Tatsache zu belegen. 1 Lassen sich die Ergebnisse nun auch auf den Menschen anwenden? Die Ärztin der Universitätsklinik Amsterdam Tessa Roseboom untersuchte in einem niederländischen Krankenhaus-Archiv Geburtsberichte aus dem Jahre 1944/45. Zu dieser Zeit blockierte die deutsche Besatzung im Winter die Lebensmittelversorgung der Niederländer für sechs Monate. Schwangere Frauen, die nicht genug zu Essen bekamen, brachten untergewichtige Kinder zur Welt, die auch nicht ausreichend ernährt werden konnten. Durch die Akten lassen sich nun die Folgen der Unterernährung auf schwangere Frauen und deren Babys über längere Zeit nach verfolgen. Roseboom suchte die Mütter und Kinder von damals auf und verglich deren Gesundheitszustand mit denen einer Kontrollgruppe, die nicht an Nahrungsmangel litt. Was Roseboom aufzeigen konnte, war eine Verbindung zwischen der damaligen entbehrungsreichen Zeit und den gesundheitlichen Folgen der nachfolgenden Generationen. So leiden die Nachfahren, und sogar die darauffolgende Generation an den typischen Krankheitsbildern wie Diabetes, Krebs 7 André Gensch Hausarbeit Biologie: Evolution (Prof. Nick) 29. 03.09 und Herz-Kreislaufproblemen. Anscheinend speichert der Körper die Information wie mit der Nahrung umzugehen ist. Ein Zellgedächtnis, das bis ins hohe Alter erhalten bleibt ohne den eigentlichen Gencode zu verändern. 3 / 5 Abbildung 3 (Verweis auf Quelle) 3.2 Gefahren und Chancen im Alltag Wie aus den verschiedenen Versuchen erkenntlich wird, ist es vor allem der äußere Einfluss in den ersten Lebensmonaten der unseren Körper dauerhaft umprogrammiert. Wie man weiß, besitzen Menschen ein erhöhtes Risiko an Depression zu erkranken, wenn ihnen in den frühen Lebensjahren Missbrauch, körperliche Bestrafung und emotionale Vernachlässigung zu Teil wurde. In diesen Fällen findet eine epigenetische Veränderung der Stresshormonregulation statt. Doch eine Umprogrammierung ist nicht nur im Kindesalter möglich. Die Mount Sinai School of Medicine arbeitet an den psychischen Veränderungen bei Traumapatienten, wie denen vom 11. September 2001. Die Patienten, die damals bei diesem Ereignis dabei waren und nun an einer posttraumatischen Stresserkrankung leiden, wurden mit Menschen verglichen, die zwar auch das Ereignis miterlebt hatten aber gesund blieben. Dabei fand das Team um Florian Holboer heraus, dass bei den 8 André Gensch Hausarbeit Biologie: Evolution (Prof. Nick) 29. 03.09 stresserkrankten Patienten verschiedene Gene in ihrer transkriptionellen Aktivität verändert waren. Dies sind eben jene Gene, die für die Stresshormonregulation kodieren. 6 Auch wie wir uns ernähren hinterlässt Spuren, und nicht nur in uns. So ist es nur verständlich, dem Kind von Anfang an nur das Beste zukommen zu lassen. Doch so leicht ist es nicht jeglichen negativen Einfluss auszuschließen. Babyflaschen aus Polykarbonat, einem vielseitig verwendeter Kunststoff, enthält unter anderem Bisphenol A, welches sich beim Erwärmen leicht in geringen Mengen lösen kann. Zwar ist Bisphenol A ungiftig, doch hat es einen Einfluss auf unseren Hormonhaushalt. Der Stoff gehört zu den endocrine disruptors, kann also leicht an Östrogenrezeptoren binden, die dann Gene aktivieren, die bei einem Neugeborenen eigentlich inaktiv sein müssten. Ist das Aufziehen mit der Flasche vielleicht sogar ein Mitgrund für die immer früher einsetzende Pubertät? Noch herrscht Unklarheit über das Ausmaß der Folgen. 7 In den USA und Japan werden schon lange Bisphenol-Afreie Flaschen verkauft und wem das Risiko dennoch zu Groß ist steigt auf Glasflaschen um. 8 Doch wie man sieht bringt die Epigenetik auch großes Potential im Forschungsbereich der menschlichen Krankheiten mit sich. So weisen beispielsweise Krebszellen schon im frühen Anfangsstadium charakteristische Methylierungsmuster auf. Krankheiten könnten schon so vor ihrem Ausbruch diagnostiziert und behandelt werden. Oder am Beispiel der posttraumatischen Stresserkrankung können Opfer leicht auf epigenetische Modifikationen untersucht werden, und es kann ihnen von Anfang an ein Medikament verabreicht werden, welches die epigenetischen Veränderungen korrigiert. 6 4. Hatte Lamarck doch Recht? Wie einige Wissenschaftler vor und nach ihm vertrat Jean-Baptist Lamarck die These, dass die sich verändernde Umwelt die Triebkraft für die Tiere sich zu entwickeln und Organe durch Gebrauch und Nicht-Gebrauch zu stärken bzw. 9 André Gensch Hausarbeit Biologie: Evolution (Prof. Nick) 29. 03.09 zurückzubilden ist. Die Modifikationen würden schließlich an Nachfahren vererbt werden. Das bekannteste Beispiel hierfür ist die Giraffe, die an immer höherhängenden Blätter heran will, und sich deshalb der Hals durch die innere Willenskraft verlängert (kein richtiger Satz!). Als Ergebnis davon werden von Generation zu Generation die Hälse länger (Abb. 4). Diese These schließt jedoch mit ein, dass Tiere von sich aus einen Vervollkommnungstrieb aufweisen. Dies sei die Triebkraft der Evolution. Auch vertrat er die Meinung, Lebewesen seien unabhängig voneinander entstanden und würden sich parallel und unabhängig voneinander weiter entwickeln. Darwin hingegen erkannte, dass zufällige Mutationen, die daraus folgende Variation und die anschließende Selektion durch die Natur die Antriebskraft für die Evolution liefert. Die Vererbung erworbener Eigenschaften wurde späterhin als Lamarckismus bezeichnet. 9 Abbildung 4 Aber genau hier schlägt die Epigenetik ein neues Kapitel auf. Zwar wird Lamarck sicherlich nicht das gemeint haben, was wir uns nun unter epigenetischer Vererbung vorstellen können, und doch scheint es uns eine Bestätigung seiner Theorie zu sein. Noch haben die Wissenschaftler trotz vielversprechender Experimente nicht alle Geheimnisse der epigenetsichen Vererbung entdeckt. Vererbung scheint doch mehr zu sein als die Summe seiner Einzelheiten. 10 André Gensch Hausarbeit Biologie: Evolution (Prof. Nick) 29. 03.09 Lamarck hatte also zu einem kleinen Teil Recht, und doch könnte die Epigentik die beiden Evolutionstheoretiker Lamarck und Darwin letztendlich in gewisser Weise versöhnen. Denn durch epigenetische Mechanismen ließe sich vor allem die hohe Geschwindigkeit der Evolution erklären. Durch einen zweiten, nachstehenden, vererbbaren Code bietet sich den Evolutionsmechanismen ein weiterer Angriffpunkt. Nun wären nicht mehr nur die Mutationen in der Keimbahn ausschlaggebend für eine reichliche Vielfalt, sondern die direkte Beeinflussung der Umwelt auf das Lebewesen würde täglich ihre Spuren hinterlassen, und das vielleicht über mehrere Generationen hinweg. So wäre beispielsweise eine vermeintlich vorteilhafte Mutation nichts wert, wenn epigenetische Faktoren eine Expression blockieren. Wie man in den oben aufgeführten Beispielen sieht könnte genau das was gerade auf unseren Köper einwirkt, von der Nahrung bis hin zu der Kleidung die wir tragen, einen Einfluss auf unsere Kinder und Enkel haben. Somit wäre jeder von uns im Evolutions-Spiel ein aktiver Mitspieler in einer verantwortungsvollen Rolle und nicht nur ein passiver Beobachter. Quellenangaben: 1. The Epigenom Network of Excellence: http://epigenome.eu/de/1,3,0 http://epigenome.eu/de/2,48,1016 [zuletzt aufgerufen am 25.03.2009] 2. Spiegel.de: http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/0,1518,372341,00.html [zuletzt aufgerufen am 25.03.2009] 3. 3sat.de: http://www.3sat.de/mediathek/mediathek.php?obj=10826 [zuletzt aufgerufen am 25.03.2009] 4. Medical News : http://www.medicalnewstoday.com/articles/128630.php [zuletzt aufgerufen am 25.03.2009] 5. Quarks&Co: http://www.wdr.de/tv/quarks/sendungsbeitraege/2009/0210/009_evolution.jsp [zuletzt aufgerufen am 25.03.2009] 11 André Gensch Hausarbeit Biologie: Evolution (Prof. Nick) 29. 03.09 6. Dr. Florian Holsboer Vortrag: http://www.holsboer.de/PDF/Aktuelles_Rotary%20Club_Vortrag.pdf [zuletzt aufgerufen am 25.03.2009] 7. Bundesinstitut für Risikobewertung: http://www.bfr.bund.de/cm/208/eine_neue_studie_zur_oestrogenen_wirkung_von_bisphenol_ a.pdf [zuletzt aufgerufen am 25.03.2009] 8. Ärzteblatt- Studieren: http://www.aerzteblatt-studieren.de/doc.asp?docid=109238 [zuletzt aufgerufen am 25.03.2009] 9. Scinexx Wissenschaftsmagazin: http://www.scinexx.de/dossier-detail-437-12.html [zuletzt aufgerufen am 25.03.2009] Bildernachweis: Titelbild: James Mallet: http://www.ucl.ac.uk/taxome/jim/Mim/lamarck_contents.html Abbildung 1: National Institut of Health: http://nihroadmap.nih.gov/EPIGENOMICS/epigeneticmechanisms.asp Abbildung 2: University of New South Wales: http://embryology.med.unsw.edu.au/MolDev/epigenetic.htm Abbildung 3: University of California at Davis: http://www.mcb.ucdavis.edu/faculty-labs/chedin/ Abbildung 4: Committee of Public Safety: http://committeeofpublicsafety.wordpress.com/2009/02/08/the-zombie-lamarck/ 12
